الاوتار الفائقة

نظرية الأوتار الفائقة

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
علم الكون الفيزيائي

عمر الكون
مصير الكون
الانفجار العظيم
الإنسحاق الشديد
مسافة مسايرة
إشعاع الخلفية الميكروني الكوني
طاقة مظلمة
مادة مظلمةمترية FLRW
معادلات فريدمان
تشكل و تطور المجرات
قانون هابل
تضخم كوني
بنية الكون من منظار واسع
نموذج لامبدا-سي دي إم
تخليق نووي
كون مرصود
انزياح أحمر
شكل الكون
خط زمني للانفجار العظيم
خط زمني لعلم الكون
مصير كون يتمدد
المصير النهائي للكون
فضاء كوني
نظرية الأوتار الفائقة
نظرية العوالم الموازية
نظرية الانسحاق والتمدد

فيزياء فلكية
نسبية عامة
فيزياء الجسيمات
ثقالة كمومية
 


نظرية الأوتار

نظرية الأوتار الفائقة Superstring theory محاولة لشرح طبيعة الجسمات الأولية والقوى الأساسية في الطبيعة ضمن نظرية واحدة عن طريق نمذجتهم جميعا في إطار اهتزازات لأوتار فائقة التناظر شبيهة بالأوتار في نظرية الأوتار. تعتبر هذه النظرية إحدى النظريات الواعدة المرشحة لحل إشكالية الثقالة الكمومية.مصطلح "نظرية الأوتار الفائقة" هي اختصار لعبارة "نظرية الأوتار فائقة التناظر" أي انها تختلف عن نظرية الأوتار البوزونية التي تتضمن دورا للفرميونات مع التناظر الفائق.

المشكلة الأهم في الفيزياء النظرية تكمن في موائمة نظرية النسبية العامة، التي تصف الثقالة (الجاذبية) وتطبق على البنى واسعة المجال (نجوم، مجرات، تجمعات فائقة) مع نظرية ميكانيك الكم التي تصف القوى الأساسية الثلاث الأخرى.

و كانت النتيجة هي تطوير نظرية الحقل الكمومي للقوى التي انتجت احتماليات لامنتهية وبالتالي كانت عديمة النفع في حل المشكلة. للتخلص من هذه اللانهايات كان لا بد للفيزيائيين من تطوير تقنيات رياضية بحتة (تدعى إعادة الاستنظام renormalization)، هذه التقنيات عملت بشكل ناجح مع القوى الثلاث : الكهرومغناطيسية والنووية الضعيفة والقوية، لكنها لم لم تكن ناجحة مع قوة الثقالة. لذا كان من الضروري تطوير نظرية كمومية للثقالة تعتمد وسائل مختلفة لاستيعاب ووصف كافة القوى
تاريخ ونشأة نظرية الأوتار الفائقة

في الثمانينات وبينما كان فيزيائي شاب إيطالي يدعى غابرييل فينيزيانو يبحث عن بعض المعادلات الرياضية التي تصف قوى النواة الكبيرة في الذرة... وفي كتب الرياضيات القديمة التي يملكها وجد معادلة رياضية قديمة عمرها مئتا عام كتبها عالم سويسري يدعى ليونار أويل. فينيتسيانو ذهل باكتشافه أن تلك المعادلات التي اعتبرت لسنين عديدة مجرد فضول رياضي كانت تصف القوى الكبيرة في النواة فعلاً وقام باكتشافه الذي اشتهر به فيما بعد في وصف القوى الكبيرة التي تعمل في نواة الذرة. كان ذلك حدث ولادة نظرية الأوتار. وبسبب شهرة هذا الاكتشاف فقد وقعت تلك المعادلات في يد فيزيائي أمريكي يدعى (ليونارد سسكيند) اكتشف أن وراء الرموز الرياضية وصف لشيء أكثر من مجرد جزيئات. فالمعادلة تقدم متحولات تصف اهتزازات ووصف لخيوط. قام بدراستها أكثر ووجد أنها عمليا تصف خيوطا مهتزة مثل الخيوط المطاطية حرة الطرفين، هذه الخيوط بالإضافة لصفاتها في التمدد والتقلص فهي تهتز بشكل دوراني أيضا حسب تلك المعادلة، المضحك أن سسكند عندما قدم بحثه للنشر تم رفضه لعدم أهميته واعتقد أن اكتشافه سيموت. في تلك الأوقات، كان العلماء منشغلين في اكتشاف الجزيئات وأنواعها الجديدة الدقيقة بالقيام بتعريضها لسرعات كبيرة و اصطدامها ببعضها لشطرها إلى جزيئات أصغر ودراسة نواتج تلك الانشطارات. كانت الاكتشافات كبيرة جدا وأنواع الجزيئات المكتشفة كبير. أدى ذلك إلى اتنتاجات كبيرة على مستوى الفيزياء أهمها أن قوى الطبيعة يمكن وصفها كجزيئات أيضاً. مثلاً القوة التي تنشأ بين جسمين هي عبارة عن جزيء (رسول) بينهما، وكلما انتقل بين الطرفين بمعدل أكثر كلما اقترب الجسمان من بعضهما أو بعبارة أخرى – زادت القوة بينهما. أي أن تبادل الجزيئات هو ما يخلق ما نشعر أنه طاقة. وتم فعلاً تأكيد تلك النظريات باكتشاف الجزيئات المسؤولة عن القوة الكهرطيسية والقوى النووية القوية (المسؤولة عن تماسك النواة في الذرة) والضعيفة (المسؤولة عن النشاط الإشعاعي الذري). وشعر العلماء أنهم اقتربوا من تحقيق حلم توحيد القوى الذي بدأه أينشتين. لأن تلك الجزيئات المسؤولة عن القوى الثلاث (القوة الكهرطيسية والقوى النووية القوية (المسؤولة عن تماسك النواة في الذرة) والضعيفة (المسؤولة عن النشاط الإشعاعي الذري) تبدأ بالتشابه في الخصائص في حال تطبيق حالة الانفجار الكبير أي أنها تنصهر في حرارة وكثافة الكون الشديد عند الانفجار لتصبح نوعا واحدا من القوى ودعى ذلك الشكل من الفهم بـالـ (الشكل القياسي للقوى) standard module العالم ستيفن وينبيرغ، لكن خلف ذلك النجاح برزت مشكلة كبيرة... فذلك الشكل القياسي لجزيئات القوى استطاع أن يصف ثلاث فقط من القوى الرئيسية في الفيزياء مهملا القوة الرابعة (الجاذبية) لأنها كانت تعمل على مستوى مختلف عن العالم الكوانتي الدقيق.

في أواخر السبعينات كان العلماء المتبنون لنظرية الأوتار قليلون ومهملون ويعانون من مشاكل كبيرة في النظرية.. فتلك النظرية مثلا تنبأت بوجود جزيئات عديمة الكتلة تستطيع أن تنطلق بسرعة أكبر من سرعة الضوء (وهذا غير ممكن حسب أينشتين). كانت أيضا تتنبأ بجزيئات بلا كتلة تماماً (غير مرئية وغير ممكن التحقق من وجودها). كانت تحتاج لعشر أبعاد بدلا من الأبعاد الأربعة (ثلاث أبعاد للمكان وبعد زمني). كانت أيضا متضاربة النتائج الرياضية تعطي أرقاما تدل على خطأ معادلاتها. إلى أن جاء العالم جون شوارتز الذي بدأ بوضع تعديلات للنظرية وربط النظرية مع الجاذبية وافتراض أن حجم تلك الأوتار أصغر بمئة مليار مليار مرة من الذرة وبدأت النظرية تأخذ شكلا صحيحا، والجزيء الذي لم يكن يملك كتلة كان بنظر جون شوارتز جزيء (الجرافيتون) Graviton. أو الجزيء المسؤول عن نقل القوة الجاذبية على المستوى الكوانتي. وهو بذلك حل الجزء المفقود الذي قدمه ستيفن وينبيرغ في الشكل القياسي للقوى الذي كان يفتقد لوصف الجاذبية على المستوى الكوانتي.رغم ذلك لم يحظ ذلك البحث أيضا بالاهتمام وبقيت النظرية في الظلام وبقي يعمل فيها ويؤمن بها عالمان اثنان من مجتمع العلماء الفيزيائيين هما جون شوارتز ومايكل غرين. وصل هذان العالمان في أوائل الثمانينات إلى حل المشاكل الرياضية في النظرية وبدأت النظرية تصف القوى الثلاثة الأخرى إلى جانب الجاذبية وهي القوة الكهرطيسية والقوى النووية القوية (المسؤولة عن تماسك النواة في الذرة) والضعيفة (المسؤولة عن النشاط الإشعاعي الذري). وقاد هذا الاكتشاف المذهل العلماء إلى التهافت على النظرية بالمئات وحظيت النظرية أخيرا على الاهتمام وتم تسميتها (نظرية الكل) The Theory of everything.

استطاعت النظرية وصف كل مكونات الطبيعة بشكل واحد مذهل فالبروتونات والالكترونات والنيوترونات التي تتكون منها الذرات تتكون من أجزاء أصغر هي الكواركات quarks . تلك الكواركات التي كان يعتقد أنها مادة هي وبحسب نظرية الأوتار عبارة عن أوتار أو خيوط صغيرة جدا من الطاقة مهتزة بعدة اتجاهات وطرق. كل وتر من هذه الأوتار حجمه صغير جدا مقارنة بالذرة. فهو كحجم شجرة من حجم كوكب الأرض. وكل اهتزاز معين لتلك الأوتار يعطي الجزيء خصائص مختلفة.. فقد يشكل الاهتزاز جزيئا مكونا لذرات المادة أو الطاقة أو الجاذبية، إلكترونات أو جزيئات ألفا أو بيتا..الخ... أي أن كل ما في هذا الكون من مادة أو طاقة أو شحنات هي في الواقع أوتار لكنها مهتزة بطرق مختلفة. والفرق الوحيد بين الجزيئات التي تعطي مادة الخشب والجزيئات التي تعطي طاقة الجاذبية هو طريقة اهتزاز تلك الأوتار فقط.كانت نظرية الأوتار الفائقة حلقة الوصل بين ميكانيك الكم والنظرية النسبية لأنها تفسر وتلغي الفروقات بينهما بناء على طبيعة الأوتار وخصائصها، والكون الفوضوي على المستوى الذري يصبح أقل فوضوية وأقرب إلى الكون الكبير على مستوى الأجسام الكبيرة. وهو نصر كبير على مستوى الفيزياء والرياضيات والكون للعلماء بآن واحد.



*************************

الاوتار الفائقة
كيف ترتبط نظريات الاوتار الفائقة مع بعضها البعض؟ صورة جديدة لنظرية الاوتار الفائقة.



Posted by schwarztiger in الاوتار الفائقة on نوفمبر 3, 2012



ملاحظة : الموضوع عبارة عن حلقة من حلقات سلسلة الاوتار الفائقة

كيف ترتبط نظريات الاوتار الفائقة مع بعضها البعض؟ صورة جديدة لنظرية الاوتار الفائقة.

في زمن من الازمان , اعتقد اصحاب نظريات الاوتار الفائقة بأن هنالك 5 نظريات مختلفة من النظريات الفائقة :

النمط I , والانماط IIA و IIB , بالاضافة إلى نظريتين هجينتين عن الاوتار الفائقة two heteronic string theories.

كان التفكير السائد بأن ضمن هذه النظريات الخمس المرشحة, يوجد فقط نظرية فعلية صحيحة لكل شيء Theory of Everything, مع ابعاد( زمانية- مكانية) مضغوطة ليصل عددها إلى 4 ابعاد, وتطابق هذه النظرية المزعومة الملاحظات الفيزيائية في عالمنا الحالي.

أما فيما يتعلق بالنظريات الاخرى فإنها ستمثل النظريات المرفوضة حول الاوتار الفائقة, وبالتالي فإن تركيباتها الرياضية ليست متوافقة مع طبيعة الوجود.

ولكن قد تبين الآن بأن هذه الصورة الساذجة كانت مغلوطة , وإن كل من النظريات الخمس الخاصة بالاوتار الفائقة مرتبطة مع بعضها البعض كما لو ان كل واحدة من هذه النظريات تمثل حالة خاصة من النظرية الأساسية, والتي لا يوجد غيرها.

string theory

تترابط هذه النظريات عبر تحويلات , وتدعى هذه التحويلات بالثنائيات dualities.

عندما يكون هنالك نظريتان مرتبطتان مع بعضهما البعض عبر تحويل ثنائية , فهذا يعني بأن يمكن تحويل النظرية الأولى بطريقة ما لتنتهي إلى شكل يبدوا مشابه تماما للنظرية الثانية. عندها يقال عن النظريتان بأن كل واحدة منهما ثنائية dual للنظرية الاخرى, وذلك ضمن اطار ذاك النوع من التحويل.

تربط ايضا هذه الثنائيات الكميات quantities والتي كان يعتقد ايضا بانها منفصلة.

مقاييس الابعاد الصغيرة والكبيرة, القوى القوية والضعيفة – هذه الكميات التي ابدت سلوكيات محدودة ضمن النظام الفيزيائي, في كل من نظرية الحقل الكلاسيكي classical field theory , وفيزياء الكم للجزيئات quantum particle physics.

ولكن تكمن المشكلة في ان الاوتار يمكن ان تحجب الاختلاف بين مقاييس الابعاد الصغيرة والكبيرة , القوى القوية والضعيفة , وبذلك تنتهي هذه النظريات الخمس المختلفة لأن تكون مرتبطة مع بعضها البعض.
المقاييس الصغيرة والكبيرة

يدعى تناظر الثنائية duality symmetry الذي يحجب قدرتنا على التمييز بين مقاييس الابعاد الصغيرة والكبيرة ب”ت- ثنائية”T-duality , وياتي تناظر الثنائية هذا تقريبا من ضغط الابعاد المكانية الإضافية 10 ابعاد وذلك ضمن نظرية تناظر فائق للأوتار الفائقة superstring theory.

لنفترض بأننا كنا ضمن فضاء (مكان – زمان) ذو عشرة ابعاد , وهذا يعني بأنه يوجد لدينا 9 فضاءات مكانية وفضاء زماني واحد.

لنأخذ احد هذه الابعاد المكانية التسعة ولنحوله إلى دائرة قطرها R, وبالتالي فإنه عند الانتقال ضمن ذاك الاتجاه لمسافة تساوي L=2pR فإن ذلك يجعلنا ندور حول الدائرة كلها ويعيدنا إلى المكان الذي انطلقنا منه.

إن اي جزيئة تنتقل حول هذه الدائرة سيكون لديها قوة دفع كمية quantized momentum حول هذه الدائرة, وهذا سوف يساهم في الطاقة الاجمالية للجزيء. أما بالنسبة للوتر string فإن الامر مختلف جدا, لأنه بالاضافة إلى الانتقال حول الدائرة , فإنه بإمكان الوتر الالتفاف حول الدائرة. إن عدد المرات التي يلتف فيها الوتر حول الدائرة يدعى برقم الالتفاف winding number, ولهذا الرقم قيمة ايضا.

الآن , فإن الشيء الغريب فيما يتعلق بنظرية الاوتار الفائقة يكمن في ان اوضاع القوة الدافعة momentum modes , واوضاع الالتفاف winding modes يمكن ان تتبدل وتتغاير, طالمنا نقوم نحن بتغيير قطر الدائرة R مع الكمية Lst2/R حيث ان Lst عبارة عن طول الوتر.

في حال كان القطر R اصغر بكثير من طول الوتر , عندها فإن الكمية Lst2/R ستكون كبيرة جدا.

وبالتالي فإن تغيير كل من انماط القوة الدافعة momentum modes , انماط الالتفاف winding modes للوتر سوف يبل مقاييس الابعاد الكبيرة بمقاييس ابعاد اصغر.

يدعلى هذا النوع من الثنائيات ب T-duality.

تربط T-duality النمط IIA (من نظريات التناظر الفائق للاوتار الفائقة superstring theory) بالنمط IIB (من نظريات التناظر الفائق للاوتار الفائقة superstring theory).

هذا يعني بأننا اذا اخذنا نظرية النمط IIA ونظرية النمط IIB وضغطنهما كليهما على دائرة , عندها فإن تبديل انماط القوة الدافعة وانماط الالتفاف , وتبديل مقاييس الابعاد, سوف ينقلنا من نظرية إلى اخرى! وذات الشيء صحيح فيما يخص نظريتي الهجين heteronic theories.

إذن , نجد بأن T-duality تحجب عنا الاختلاف بين المسافات الصغيرة والكبيرة. فما يبدو عبارة عن مسافة كبيرة جدا بالنسبة لانماط القوة الدافعة للوتر , يبدو في ذات الوقت عبارة عن مسافة صغيرة جدا بالنسبة لأنماط التفاف الوتر. هذا مخالف جدا للآلية التي عملت بها الفيزياء منذ ايام كيبلر ونيوتن.
القوى القوية والقوى الضعيفة

ماهو ثابت الاقتران؟ عبارة عن رقم يخبرنا عن قوة التفاعل.

إن ثابت نيوتن , هو عبارة عن ثابت الاقتران coupling constant الخاص بقوة الجاذبية, على سبيل المثال : في حال كان ثابت نيوتن ضعفي حجمه المعتبر الآن, لكنا شعرنا عندها بضعف قوة الجاذبية من الارض, والارض بدورها ستشعر بضغف قوة الجاذبية من القمر والشمس , …الخ.

إن القيم الكبيرة لثابت الاقتران coupling constant تعني قوى اكبر, والقيم الصغيرة لثابت الاقتران coupling constant تعني قوى اضعف.

تملك كل قوة ثابت اقتران coupling constant.

بالنسبة للقوى الكهرومغناطيسية , فإن ثابت الاقتران يتناسب طردا مع مربع الشحنة الكهربائية.

عندما درس الفيزيائيون سلوك الكم الخاص بالقوة الكهرومغناطيسية, لم يستطيعوا ان يحلوا النظرية بشكل تام , لذلك قاموا بتجزيئها إلى قطع اصغر , وبالتالي فإن كل قطعة صغيرة من النظرية – استطاعوا حلها – كان لها قوة مختلفة من ثابت الاقتران.

على مستوى الطاقات الطبيعية في القوى الكهرومغناطيسية, يكون ثابت الاقتران صغيرا, وبالتالي فإن القطع القليلة الصغيرة من النظرية بإمكانها ان تعطينا مقاربة جيدة للاجابة الحقيقية. اما في حال اصبح ثابت الاقتران كبيرا, عندها ستفشل تلك الطريقة المتبعة في الحساب, وستصبح تلك القطع الصغيرة من النظرية عديمة الفائدة في مقاربة الفيزياء الواقعية.

بإمكان نفس الشيء الحدوث في نظرية الاوتار الفائقة. تملك نظرية الاوتار الفائقة ثابت اقتران. ولكن بشكل مغاير لنظريات الجزيئات , فإن ثابت الاقتران في نظرية الاوتار الفائقة ليس مجرد رقم , ولكنه يعتمد على انماط تذبذب وتارجح oscillation modes الوتر, ويدعى بدليتون dilaton.

إن تبديل حقل الدليتون dilaton مع معكوس نفسه بالقيمة سوف يبدل قيمة كبيرة لثابت الاقتران بقيمة صغيرة جدا.

يدعى هذا التناظر ب S-duality. في حال كان هنالك نظريتان من نظريات الاوتار مرتبطتان مع بعضهما البعض عبر S-duality, عندها ستكون احد النظريتين (التي تملك ثابت اقتران قوي ) مشابه للنظرية الاخرى (التي تملك ثابت اقتران ضعيف).

لاحظ بأن النظرية التي تملك اقتران قوي لا يمكن فهمها, بينما النظرية التي تملك اقتران ضعيف يمكن فهما.

اذن في حال كان لدينا نظريتان مرتبطان عبر S-duality, عندها نحن بحاجة فقط لان نفهم النظرية الضعيفة, وهذا مكافئ لفهم النظرية القوية. بالنسبة للفيزيائيين , فهذا يمثل افضل تعبير عن المثل (2 مقابل 1).

نظريات الاوتار الفائقة المرتبطة عبر S-dualityهي التالية:

النمط I (نظرية التناظر الفائق للاوتار الفائقة superstring theory) مع النظرية الهجينة ذات التناظر الفائق للاوتار الفائقة heterotic SO(32) superstring theory, والنمط IIB مع نفسه.
ماذا يعني هذا ؟

T-duality عبارة عن شيء فريد بالنسبة لفيزياء الاوتار. فهو عبارة عن شيء ليس باستطاعة الجزيئات القيام به , لأنه ليس بإمكان الجزيء الالتفاف حول دائرة كما يفعل الوتر.

في حال كانت نظرية الاوتار الفائقة عبارةعن نظرية صحيحة للطبيعة , فهذا يؤدي إلى أنه على بعض المستويات العميقة, يكون الفصل بين مقاييس الابعاد الكبيرة مقابل الصغيرة ضمن الفيزياء ليس فصلا ثابتا , ولكنه فصل عائم, ويعتمد على نمط المسبار الذي نستخدمه في قياس المسافة.

نفس الشيء صحيح بالنسبة ل S-duality, الذي يعلمنا بأن حدود الاقتران القوي لاحد نظريات الاوتار الفائقة يمكن وصفه عبر حدود الاقتران الضعيف لنظرية اخرى من نظريات الاوتار الفائقة.

يبدوا هذا وكاننا نتجه باتجاه معاكس للفيزياء التقليدية, ولكنه يتضمن محتوى معقول فيما يخص نظرية الكم الخاصة بالجاذبية , لأن نظرية اينشتاين الخاصة بالجاذبية تخبرنا بأن الجاذبية تتعلق بكيفية قياس أحجام الأجسام وإحجام التفاعلات وذلك ضمن فضاء (مكاني – زماني ) منحني.

وبهذا نكون قد وصلنا إلى نهاية هذه السلسلة الشيقة والعلمية حول ” الاوتار الفائقة” . ارج وان تكونوا قد جنيتم الفائدة المرجوة من الموضوع, وعلى امل ان نلتقي في مواضيع اخرى فلكية في المستقبل القريب

وإلى ذلك الحين استودعكم الله والسلام عليكم ورحمة الله وبركاته.

المراجع :
http://www.superstringtheory.com/
http://www.nucleares.unam.mx/~alberto/physics/string.html
principle - Wikipedia, the free encyclopedia
https://wikimedia.org/wikipedia/en/wiki/String_theory
http://en.wikipedia.org/wiki/Graviton
http://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_lens
http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/cosmology/forces.html
http://www.sukidog.com/jpierre/strings/index.html